Техника - молодёжи 1959-09, страница 43

В. АРЕФЬЕВ, инженер

Рис. 3. ЯРГИНОЙ

ОТЧЕГО ДРЕБЕЗЖАТ СТЕКЛА?

Кто из вас не замечал, как от проходящей по улице, под окнами квартиры, автомашины или от низко пролетающего самолета начинают, как мы обычно говорим, «дребезжать стекла». В'технике подобные явления называют колебаниями, точнее — колебаниями упругих тел.

Колебание любого упругого тела — оконного стекла, балок потолка, витой пружины седла велосипеда, рессор автомашины, струны, камертона и т. п. — может быть вызвано определенным усилием: например, у струны — усилием пальца, у камертона — ударом о предмет, у стекол окна — воздушной волной.

Если усилие, которое вызывает то или иное колебание упругого тела, пропорционально изменению его формы, то в технике колебания, которыми это упругое тело будет обладать после прекращения усилия, принято называть тармоническими. В природе большинство колебаний, в том числе не только механических, но и электрических, относится к этому виду колебаний.

Зажатая с одной стороны и с грузом на другой стальная пластинка, после того как к ней было приложено усилие, начинает колебаться, причем время ее собственных колебаний ограничивается сопротивлением воздуха и внутренними силами сопротивления изгибу, присущими материалу пластинки. От влияния этих сил величина амплитуды или колебаний пластинки уменьшается и постепенно исчезает совсем. Это колебания затухающие.

Для того чтобы колебания пластинки сделать постоянными, необходимо к ней извне приложить определенные «возмущающие» усилия, которые должны преодолеть сопротивление воздуха и внутренние силы упругости в материале пластинки. Если эти усилия будут равны или больше сил сопротивления пластинки и воздуха, то ее колебания станут незатухающими, то есть постоянными по своей величине. Так, например, таким возмущающим усилием может служить переменное магнитное поле.

Если изменять длину зажатой с одного конца пластинки, то при ее увеличении число колебаний в единицу времени будет сокращаться, они делаются «реже». Прн уменьшении длины пластинки число ее колебаний будет увеличиваться, они делаются «чаще». Изменяется, как говорят в технике, частота колебаний, то есть их число в одну секунду. Время, за которое пластинка совершит одно полное колебание, иначе говоря, когда она вернется в свое исходное положение, составляет его период. Таким образом, частота колебаний пла

стинки обратно пропорциональна его периоду. Если, например, пластинка делает 100 полных колебаний в секунду, то период этого колебания будет равен 0,01 секунды.

Всякая упругая пластинка, зажатая в одном ее конце, изгибается под собственным весом и грузом, укрепленным на ее свободном конце.

С увеличением длины пластинки прогиб ее растет, наоборот, при сокращении длины прогиб уменьшается.

Установлено, что период колебаний такой нагруженной пластинки вполне определенный и зависит от величины ее прогиба, или, что то же, от груза и поперечного сечения пластинки.

Витая пружина от груза, увеличенного вдвое, сжалась вдвое. Если эту пружину «раскачать», то она некоторое время будет колебаться. Эти колебания относятся к гармоническим.

Пластинка, свободно лежащая на опорах, имеет при одинаковом грузе прогиб вчетверо больший, чем пластинка с хорошо заделанными концами. Пластинка с заделанными концами будет иметь период собственных колебаний вдвое меньше, а значит частоту колебаний большую в два раза.

РЕЗОНАНС РАЗРУШАЕТ

Изменяя длину зажатой с одного конца пластинки, можно добиться такого положения, когда амплитуда ее колебаний будет наибольшей. Источник возмущающей силы (например, магнитное поле) может находиться в это время от колеблющейся пластинки на довольно большом расстоянии, другими словами, при минимальной для данных условий ее величине. Это явление объясняется совпадением периода колебаний упругой пластинки с периодом колебаний возмущающей силы и в технике носит название резонанса.

Упругая пластинка колеблется с максимальной амплитудой в случае совпадения периода ее собственных колебаний с периодом действующего на нее магнитного поля сердечника. Возможен случай, когда через некоторое время пластинка вследствие чрезмерно большой амплитуды коле

баний и усталости металла ломается у своего основания.

К гармоническим колебаниям относится не только колебание упругих тел, но и, например, колебание переменного тока.

Переменный ток. используемый в технике, имеет частоту колебаний в секунду, равную 50. Это означает, что период колебания переменного тока равен 0,02 сек. За период своего колебания переменный ток, проходя через обмотку железного сердечника и меняя свой знак, один раз проходит через нулевое значение. Вследствие этого он дважды намагничивает сердечник.

Из этого следует, что сила притяжения магнитного поля сердечника (она же возмущающая сила, создающая колебания упругой пластинки) имеет частоту 100 в секунду и период 0,01 сек.

Явление резонанса может наблюдаться почти во всех областях техники, причем в ряде случаев оно приводило к катастрофическим последствиям. Примером этому может служить гибель одного иностранного океанского судна в марте 1890 года, у которого колебания корпуса совпали с колебаниями машин.

Разрушение моста в Испании в период наполеоновских войн также служит классическим примером резонанса, когда частота возмущающей силы (идущая в ногу, с вполне определенной частотой толчков, колонна солдат) совпала с частотой колебаний упругой системы, то есть моста. Колебания по своей величине вследствие резонанса стали максимальными, элементы его не выдержали, и мост разрушился.

При средней скорости поезда 60 км в час и при длине рельсов между стыками, равной 25 м, колеса вагонов будут получать на стыках 40 толчков в минуту. Если рессоры вагона (упругая система, на которой покоится корпус вагона) будут иметь ту же собственную частоту колебания, то езда в таком вагоне будет невозможной, так как наступит явление резонанса, и вагон «растрясет».

РЕЗОНАНС РАБОТАЕТ

Явление резонанса или состояние упругой системы, близкое к нему, можно заставить служить и на пользу человеку. Вышеописанный пример резонанса упругой пластинки с магнитным полем, создаваемым переменным током, может быть эффективно применен при конструировании машин, приспособлений и аппаратов, показанных на цветной вкладке.

В технике часто вводится понятие о так называемой «жесткости» упругой системы. Жесткость определяет собой величину нагрузки на упругое

37